夫兰克-赫兹实验.doc

LB-FH 夫兰克赫兹实验仪第1章 仪器介绍LB-FH型夫兰克赫兹实验仪是用“慢”电子与稀薄气体原子碰撞的方法，使原子从低能级激发到高能级，并通过电子和原子碰撞时交换出某一定值的能量，测定氩原子的激发电位，观察其特殊的伏安特性。研究原子能级的量子特性，直接证明了玻尔的量子理论。该仪器除可以用点测法实验外，还可以用示波器以及微机直接观测。使用点测法，实验过程中逐点测量，手绘谱峰曲线，既动手又动脑，可以增加学生对实验的体验和了解；用示波器/微机直接观测，通过动态显示谱峰曲线形成过程，直接观测谱峰曲线，方便、明了。仪器面板设计新颖，实验控制过程采用图板标识方式，数据尽数显示，适合演示和教学实验。实验直观、无须切换，特别预留数据采集同步输出，可升级为用计算机进行数据采集和处理的高档夫兰克赫兹实验仪。: 工作条件：环境温度：040相对湿度：85%（40）工作电源：AC 220V（10%），50Hz输出功率：15W: 技术参数：1） 充氩夫兰克赫兹管，不需加热2） 最小读数：电压0.1V，微电流10-9A3） 动态显示：普通示波器直接观察，直观演示实验过程的动态谱峰4） 面板设计新颖：仪器工作采用图板标识，实验数据无须切换，以数字表全部展现5） 工作方式广：手动、半自动实验方式齐全，预留微机型升级空间6） 夫兰克赫兹管：类型：充氩管结构：4级寿命：3000h7） 工作电压：灯丝电压(VH )：DC 1.2V5.0V一栅电压(VG1K)：DC 05.0V二栅电压(VG2K)：DC 0120.0V拒斥电压(VG2A)：DC 015.0V8） 锯齿波参数锯齿波扫描幅度：VPP = 120.0V锯齿波扫描频率：100Hz9） 电流测量：测量范围：(10-610-9)A（4档）三位半数字显示10） 观察谱峰数点测谱峰数 8示波器观察谱峰数 8第2章 实验目的与原理: 实验目的：1） 研究夫兰克赫兹管中电流变化的规律；2） 通过测定氩原子的第一激发电位，了解和证明原子能级的存在。: 实验原理：本仪器采用1只充氩气的四极管，其工作原理图如下图1：图1 夫兰克赫兹实验原理图四极F-H管包括同心筒状电极灯丝H，氧化物阴极K，两个栅极G1、G2和阳极A。阴极K罩在灯丝H外，由灯丝H加热阴极K，改变H的电压VH可以控制K发射电子的强度。靠近阴极K的是第一栅极G1，在G1和K之间加有一个小正电压VG1K，其作用一是控制管内电子流的大小，二是抵消阴极K附近电子云形成的负电位的影响。第二栅极G2远离G1而靠近阳极A，G2和A之间加一小的拒斥负电压VG2A，使得与原子发生了非弹性碰撞，损失了能量的那些电子不能到达阳极。G1和G2之间距离较大，为电子与气体原子提供较大的碰撞空间，从而保证足够高的碰撞概率。由K发射的电子经G2、K间电压VG2K的加速而获得能量，它们在G2、K空间与氩原子不断遭遇碰撞，把部分或全部能量交换给氩原子，并在G2、A间经拒斥电压作用减速达到阳极A，检流计指示出阳极电流IA的大小。实验表明，初始阶段VG2K电压较低，电子与氩原子的碰撞是弹性的。简单计算可知，在每次碰撞中，电子几乎没有能量损失。随着VG2K上升，当VG2K = 11.5V时，电子在G2附近将获得11.5eV的能量，并与氩原子发生非弹性碰撞，因此，将引起共振吸收，电子把能量全部传递给氩原子，自身速度几乎降为零。而氩原子则实现了从基态向第一激发态的跃迁。由于拒斥电压的作用，失去了能量的电子将不能到达阳极， IA陡然下降，形成第一个峰。当11.5V VG2K 23.0V时，随VG2K从11.5V逐渐增加，电子重新在电场中加速，不过由于F-H管内11.5V电位位置变化，第一次非弹性碰撞区逐渐向G1移动。因为到达G2时电子重新获得的能量小于11.5V，故非弹性碰撞不会再发生，电子将保持其动能达到G2，从而能克服VG2A的阻力到达阳极，表现为IA的又一次上升。当VG2K = 23.0V时，电子在G2、K间与氩原子进行两次非弹性碰撞而失去全部能量，IA再一次下降，曲线出现第二个峰。显然，每当VG2K = 11.5n V ( n = 1，2，)时，都伴随着IA的一次突变，出现一次峰值，峰间距为11.5V。连续改变VG2K，测出IA与VG2K的关系曲线，即可求出氩原子的第一激发电位。不难预料，对于那些能量大于11.5V的激发态，由于电子在加速过程中积蓄的能量还未达到这些激发态的能量之前，已与氩原子进行了能量交换，实现了氩原子向第一激发态的跃迁，故向高激发态跃迁的概率就很小了。第3章 实验内容及步骤本实验仪有三种观测方法可供选择：示波器测量、手动测量和计算机采集测量，下面分别加以叙述。叙述中请参见图2、图3中的仪器面板介绍。图2 夫兰克赫兹实验仪前面板图3 夫兰克赫兹实验仪后面板A. 示波器测量1、插上电源，打开电源开关，将“手动/自动”档切换开关置于“自动”档。（“自动”指VG2K从0 120V自动扫描，“自动”档包含示波器测量和计算机采集测量两种。）2、先将灯丝电压VH、控制栅（第一栅极）电压VG1K、拒斥电压VG2A缓慢调节到仪器机箱上所贴的“出厂检验参考参数”。（灯丝电压VH不可太高，一般不要高于“参考电压”0.2V以上，以免击穿F-H管，损坏仪器。）预热10分钟，如波形不好，可微调各电压旋钮。如需改变灯丝电压，改变后请等波形稳定（灯丝达到热动平衡状态）后再测量。（各电压对波形的影响参见附录一）3、将仪器上“同步信号”与示波器的“同步信号”相连，“Y”与示波器的“Y”通道相连。“Y增益”一般置于“0.1V”档；“时基”一般置于“1ms”档，此时示波器上显示出夫兰克赫兹曲线。4、调节“时基微调”旋钮，使一个扫描周期正好布满示波器的10格，如图4： 图4 示波器普通方式显示 图5 示波器X-Y方式显示扫描电压最大为120V，量出各峰值的水平距离（读出格数），乘以12V/格，即为各峰值对应的VG2K的值（峰间距），可用逐差法求出氩原子的第一激发电位的值，可多测几组算出平均值。5、将示波器切换到X-Y显示方式，并将仪器的“X”与示波器的“X”通道相连，仪器的“Y”与示波器的“Y”通道相连，调节“X”通道增益，使整个波形在X方向上满10格，如图5，量出各峰值的水平距离（读出格数），乘以12V/格，即为峰间距，可用逐差法求出氩原子的第一激发电位的值，可多测几组算出平均值。B. 手动测量1、插上电源，打开电源开关，将“手动/自动”档切换开关置于“手动”档，微电流倍增开关置于“10-9”档。2、先将灯丝电压VH、控制栅（第一栅极）电压VG1K、拒斥电压VG2A缓慢调节到仪器机箱上所贴的“出厂检验参考参数”。（灯丝电压VH不可太高，一般不要高于“参考电压”0.2V以上，以免击穿F-H管，损坏仪器。）预热10分钟，如波形不好，可微调各电压旋钮。如需改变灯丝电压，改变后等波形稳定（灯丝达到热动平衡状态）后再测量。（各电压对波形的影响参见附录一）3、旋转第二栅极电压VG2K调节旋钮，测定IA VG2K曲线。使栅极电压VG2K逐渐缓慢增加（太快电流稳定时间将变长），每增加0.5V或1V，待电流读数稳定（约3秒）后，记录相应的电压VG2K、阳极电流IA的值（一般而言，此时显示的数值可稳定10秒以上）。因有微小电流通过阴极K而引起电流热效应，致使阴极发射电子数目逐步缓慢增加，从而在一个长的时间内，阳极电流IA会缓慢增加，这是正常的，但此效应非常微弱，不会对数据处理结果产生太大的影响。但阳极电流IA大时，此种影响会增大，故提倡VG2K从小逐渐缓慢增大，尤其不要回调，因这会增加电流表相对稳定的时间，同时也会使相对误差变大。（大范围调节VG2K后，将微电流倍增开关旋至“10-6”档，后再旋至“10-9”档，可使电流稳定时间缩短。）4、根据所取数据点，列表作图。以第二栅极电压VG2K为横坐标，阳极电流IA为纵坐标，作出谱峰曲线。读取电流峰值对应的电压值，用逐差法计算出氩原子的第一激发电位。5、实验完毕后，请勿长时间将VG2K置于最大值，应将其旋转至较小值。C. 计算机采集测量需另配数据记录仪和相应的软件。具体测量使用方法请参见软件使用说明书。D. 数据处理1示波器测量表1 第一激发电位测量数据序号12345678峰值格数VG2K / V2手动测量表2 手动数据记录N12345678910111213VG2KIAN14151617181920212223242526VG2KIAN272829303132333435363738VG2KIA3利用逐差法计算氩原子的第一激发电位标准形式：氩原子第一激发电位： 。附录一 各电压对曲线波形的影响灯丝电压VH灯丝温度对阴极的发射系数有很大影响，阴极发射出的电子速度分布和阴极温度有关。当灯丝电压很小时，单位时间内阴极发射出的电子数很少，此时阳极电流很小，看不到阳极电流的大小起伏变化，所以波形曲线上我们看不出波峰。随着灯丝电压增大，阳极电流增大，且基本上呈指数上升，类似于二极管中热电子发射的理查森定律。波形曲线的起伏很大，阳极电流的波峰越来越明显，但对于相邻波峰所对应的VG2K的差值没有影响。如果灯丝电压太大，本底电流上升，使得阴极表面物质因蒸发太快而剥落，易使管子老化，影响其使用寿命。并且如果灯丝电压太大，手动测量时，电流容易溢出测量范围，所以灯丝电压不宜选择过大。4003002001000 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 1202.9V2.7V2.5V图6 不同灯丝电压VH下的IA VG2K曲线控制栅极电压VG1K由于电子的动能大部分用来克服逸出功，剩余的动能很小。也就是说电子的初速度很小，电子堆积在阴极附近，形成空间电荷层，其电势低于灯丝电势，称为空间电荷效应。该空间电场会把带负电的电子拉回，抑制电子发射。在第一栅极上加小的正向电压，可以用来驱散阴极电子发射形成的电子云，提高发射效率。当控制栅极电压很小时，空间电荷效应明显，发射电子数量较少，因此阳极电流很小，波峰的幅度很小，观察不明显。随着控制栅极电压的增大，阳极电流总体上升，且波峰逐渐明显。当空间电荷效应消失时，此时如果继续增大控制栅极电压，阳极电流反而会减小，并且波峰的幅度也逐渐减小，所以存在最佳的控制栅极电压。控制栅极电压的大小对于相邻波峰所对应的VG2K的差值没有影响。4003002001000 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 1200.5V0V1.4V2.0V2.5V图7 电压VG1K对IA VG2K曲线的影响拒斥电压VG2A拒斥电压使第二栅极处的能量较低的电子不能到达阳极。拒斥电压越大，能够到达阳极的电子数越少，阳极电流越小。拒斥电压很小时，波峰不明显。随着拒斥电压的增大，波峰的幅值明显增大，同时阳极电流整体下降。当拒斥电压继续增大时，由于阳极电流整体下降，导致波峰越来越不明显，阳极电流甚至可能出现负值。这是因为电子与氩原子发生非弹性碰撞后，所剩能量很小，不能克服拒斥电压到达阳极而折回，从而形成反向电流，但此电流值很小。随着拒斥电压的增大，峰值会有变化，但是相邻峰所对应的VG2K的差值没有发生变化。手动测量时，如果阳极电流溢出，适当增加拒斥电压，可以降低电流值；如果电流出现负值，是拒斥电压太大引起的，应适当降低拒斥电压。4003002001000 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 1203V4V5V6V7V8V 图8 拒斥电压VG2A对曲线IA VG2K的影响附录二 手动测量计算实例仪器预热后，使第二栅极电压逐渐增加，待数字稳定后，记录不同第二栅极电压VG2K下的阳极电流IA，记录数据如下表：VG2K(V)IA(nA)VG2K(V)IA(nA)VG2K(V)IA(nA)VG2K(V)IA(nA)VG2K(V)IA(nA)VG2K(V)IA(nA)10211741296163812361011932022194246623482227102230302321436563368320010327140242244836464841591043055025224595651008511410533060262146100661338689106339702719479667165879510733480281648806818688122108314902920495769194891581092831003028503870182901991102541103137512271156912331112371203244523472115922631122371303350536073779327611325414034515489745194274114285150355355118756295254115320161365156140769196222116357174374657151771309718111738918838375814878170981541184121911392759128792029914811942520144021609780227100163120420根据数据作出IA - VG2K曲线，如下图：在图线上找到各个峰值所对应的电压值，填入下表：峰值序号12345678VG2 / V24.434.846.057.268.881.093.4106.2利用逐差法计算氩原子第一激发电位：，；氩原子第一激发电位为：(11.7 0.8) V，与理论值11.5V的相对误差。8(：025-86200631 / 86200632 / 86200633 *：longbow